卫星目标识别与特征参数提取方法研究

【摘要】： 天基空间目标探测技术越来越受到重视,其应用模式决定了不受地理位置和气象条件限制,探测效果好,且存在战时生存能力强等优点。但由于星上信息处理能力很有限,功率也无法和地基监视系统相比。并且空间探测时多数是低信噪比的情况,此时噪声等干扰因素对目标的识别产生巨大的影响,尤其识别与目标具有相同轨道和相似外形的诱饵将更加困难。已有研究证明目标和诱饵等干扰在辐射特性上存在差异,如何在多种噪声干扰下提取这种辐射差异,并进行目标识别就是本文的主要研究目标。通过分析各种识别方法的优缺点,确定了以辐射特性差异为主,以轨迹差异为辅的天基空间目标识别方法。主要研究内容包括以下几个方面: (1)空间目标辐射特征结构及与干扰的辐射差异分析 以卫星目标为研究对象,从辐射度学原理出发建立天基探测系统接收的空间目标辐射计算模型,确定空间目标辐射特征结构和不同探测角度、探测距离等参数对目标辐射的影响。接着通过推导的恒星辐射度函数,计算探测波段内的恒星辐射,对可能干扰目标探测的恒星进行筛选。分析噪声的主要组成部分和分布形式,确定噪声对目标的影响,在已有目标和诱饵辐射差异的基础上,进一步的确定目标与恒星背景、系统噪声等干扰的差异。 (2)噪声干扰下基于分段等效黑体温度的目标辐射特性提取 首先给出目标分段等效黑体温度的概念,通过计算目标辐射出射度比值,利用不同波段时的比值曲线来计算分段等效黑体温度。使用分段等效黑体温度的辐射特性提取方法,可以不受探测距离和探测角度的影响,且能排除环境干扰而真正体现目标自身辐射特性。在噪声干扰下辐射出射度比值计算会产生误差,为了使噪声的影响最小,利用观测数据设计有效的估计量。通过分析估计误差与辐射出射度比值和信噪比的关系曲线,进一步的修正估计量和确定误差分布范围,来提高估计精度。最后通过多帧叠加的方式,进一步的提高了目标分段等效黑体温度估计的稳定性。 (3)空间目标探测最佳波段的确定 辐射特性的提取精度不仅与噪声水平有关,而且受到波段选择的影响。通过分析在噪声干扰下,不同波段参数时分段等效黑体温度计算误差的变化趋势,确定最佳探测双波段,利用最佳探测双波段比传统的波段具有更高的计算精度。为了进一步降低计算误差,分析不同多波段组合时的计算误差表达式,确定进一步误差降低原则。最后分析波段组合数量对计算误差的影响,得到并非使用波段组合数量越多越好的结论。 (4)基于辐射特性差异的空间目标识别 为了去除了多数噪声的影响,进行基于辐射强度和辐射相关性的二次图像阈值分割。随后计算目标的分段等效黑体温度序列,利用小波分析进一步获得分段等效黑体温度序列的变化频率和分布方差,并配合轨迹跟踪方法实现目标识别。通过仿真实验验证了目标识别方法,尤其在区分与目标具有相似外形和相同轨道的诱饵时更有价值。 (5)面目标的特征参数提取 当卫星与探测系统距离接近而成面目标时,需要进行特征参数的提取,确定感兴趣区域的位置。通过轮廓提取,利用相似度方法确定目标观测方向。接着利用改进的算法提取角点,并根据各角点对应的理想轮廓位置确定感兴趣区域。 本文工作为天基空间目标探测与识别等研究工作打下基础,并能在我国空间探测的工程化进程中起到一定的作用。